海上风电场建设与海洋工程装备研发中 若干水动力学关键技术问题

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海上风电场建设与海洋工程装备研发中

若干水动力学关键技术问题

缪国平1，朱仁传1，程建生2，王景全2

（1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030，

2解放军理工大学工程兵工程学院，南京210007）

摘要：结合我们近年来在海洋资源开发相关的水动力学方面开展的研究工作和对国内外研究进展的认识，结合海上风电设备研制和风电场的建设，就海洋工程装备研发中水动力学关键技术及其可能的发展方向作一简要的评述，以期引起有关方面对海洋工程装备研发中的关键技术研究的重视。
* n; s) y. j+ A% t关键词：海上风电；海洋工程；水动力学

1 落实科学发展观，提升海上风电场和海洋工程装备设计研发能力，推进我国海洋资源综合开发的全面发展

当前，全球所消耗的油气中约有30%以上来自海底油田，未来人们对海洋油气资源的依赖程度越来越高。我国的能源形势总体来说十分严峻, 陆地和近海的石油资源有限，石油战略储备不足。尽管我国南海海域（主要在深海）有丰富的油气和碳氢水化物资源。石油地质储量约在230亿-300亿t之间，但开发的难度相当大。目前我国油气资源开发仍主要集中在500m水深以下的近海海域；尚缺乏有效的深海油气开发能力。因此，优化能源结构，提高能源效率，开发可再生能源，已成为我国贯彻落实科学发展观、实施能源可持续发展战略的重要内容。
, T% B4 C4 ~6 ^* [/ l( E风能作为一种清洁的可再生能源，具有相当广阔的应用前景。经过几十年的研发，陆地风能开发已经具备工业价值。近年来，海上风能开发也取得了令人瞩目的进展。
4 X/ m, I" c! t" z( k海上风电有其独特的优势。海上风速、风向相对稳定，风切变和湍流度较小，总体风况优于陆地。将风电场建在海上，可利用海上得天独厚的广阔空间和风力资源，实现规模化效益，降低风力发电的成本。据有关估计，在年均风速9.5m/s区域的装机容量为10万kW的海上风电场每年能生产3.6亿kWh的电力。随着科技进步，可以预期海上风电产能将进一步增加。
海上风电有其特殊的技术难点。海上风能开发面临的环境条件十分复杂，我们必须要考虑风、浪、流等主要气象、水文要素对风电机设施的作用和载荷，对浮基风电机组还必须考虑其运动特性和定位要求。海床地质构造对固基风电机组和海底电缆网络铺设是十分重要的，包括基床冲刷、淘空等长期效应。冰区海域还应充分考虑海冰的因素。海上施工周期长、工艺复杂，对作业船舶的载荷和运动特性控制要求高。系统长期稳定运行中维护保养带来一系列的技术问题。
* ]: |8 k& j. ?8 y  n6 W3 {目前海上风电场大都位于水深20m左右的近海海域，采用固基的着底式风电机塔。今后将逐步向水深100m甚至几百米的海域发展，浮基海上风电场将是一种经济性和实用性兼顾的重要发展方向。
海上风电设备研制和风电场的建设可以说是海洋工程装备设计研发的一个重要领域，或者说是海洋工程装备的重要拓展领域。从保证海上风电塔（固基或浮基）、锚碇系统有效运行的观点而言，除了其本身的特殊要求外，与传统的海洋工程装备（如各类海洋石油平台）有相当多的共性关键技术问题。结合我们近年来在海洋资源开发相关的水动力学方面开展的研究工作和对国内外研究进展的认识，结合海上风电设备研制和风电场的建设，就海洋工程装备研发中水动力学关键技术及其可能的发展方向作一简要的评述，以期引起有关方面对海洋工程装备研发中的关键技术研究的重视。

2非线性水动力学关键技术问题研究是海洋资源综合开发中重要的共性研究领域

海上风电设施、海洋平台必须具备进入和驻定于特定海域，在恶劣的海洋环境下长期有效地稳定作业和运行的能力。水动力学问题的研究是近海、深海和超深海资源开发中的一个重要的前提性的共性关键技术领域。在海洋环境条件中，最重要的当首推海洋波浪，即水波；风、流等主要水文要素也须充分考虑。归纳起来，大致上有下列四大类问题。
/ m2 X$ C, K% D% I0 {( _2.1非线性水波演化及其与其他环境条件的耦合影响
水波动力学研究的是以水波为中心的海洋环境条件本身的机理、理论与数值分析手段和实验模拟技术。理论上讲，水波动力学中边界条件和物理量间的关系是非线性的主要来源；尤其在自由面上，不仅自由面条件是非线性的，而且满足条件的自由面边界形状也是事先未知的。“一波才动万波随”，可以毫不夸张地说，论研究的难度和表现的丰富多彩，水波动力学未必亚于湍流。
  c+ g0 W/ c% \( m0 D6 A  a在迄今为止的海洋工程实践中，应用最为普遍和直接的还是基于永形波的波浪理论。大多数确定性的深水波理论本质上是通过对速度势或流函数（仅对二维平面波）求解建立起来的，其主要差别在于如何处理自由面条件和处理中引进的基本假设。风、浪、流等环境条件之间的非线性耦合导致的水波弱非线性演化，包括水波调制、边带不稳定性，一直是水波动力学的传统研究领域[1, 2]。
% C+ F, `( @/ [3 D5 y. @近年来，CFD在自由面追踪方面出现了很多技术，如VOF法、Level Set方法、SPH方法等等，为水波非线性演化的研究注入了新的活力[3]。
2.2 海洋环境条件（风、浪、流、内波）作用下海上风电场结构物运动响应及受力分析
$ D; L6 P) o! {4 v% K+ r; c/ u依水深不同，海上风电机组的基础大致上可分为固基和浮基两类。固基有重力式结构和支柱式结构两种。浮基则由浮体及锚泊系统构成。从力学或结构特性上看，与相应的海洋石油平台是类似的。准确地预报结构物在海洋环境条件（风、浪、流、内波）联合作用下的运动响应及受力分析研究则可为海上风电设施等海洋资源开发装备设计提供直接的指导，具有重要的工程实际意义。
, U" ], z' D) c4 \与波浪特征长度相比，除SPAR平台和支柱式固基外，大部分海洋平台都可归类为大尺度海洋结构物。与小尺度管柱（缆索、立管）情况不同，大尺度海洋结构物的存在和运动对波流场的影响（即绕射和辐射）不可忽略，然而，一般而言，除局部区域外，流体的黏性影响倒是可以略去的。
' b/ ~3 f; i% T2 `" R7 G在海洋工程崛起之际，水波与大物体相互作用的势流理论和计算方法在船舶工程中已经有了成功的发展，包括频域线性理论范畴中的切片理论（或各种细长体理论）、有速或零速三维源汇分布理论等等[4]。20世纪90年代，在弱非线性假定下，精确到波陡的二阶量，频域理论已经拓展来研究船舶和海洋结构物所受的二阶定常力和二阶低频慢漂力，应该说，这方面的理论问题当时已经基本上得到解决[5]；近年来，由于浮式深海平台系统的自振频率越来越低，低频慢漂力引起系统共振的危险性也越来越大。二阶低频慢漂力的准确估计又重新受到关注。频域分析法通常只适用于稳态问题；对瞬态或强非线性问题，必须发展直接时域分析法。时域分析法有很大的自由度，原则上可处理全非线性和物体任意运动的问题。按问题的性质和要求，时域法可以有不同层次的处理方法，如时域线性理论、物体大幅度运动理论和全非线性理论等等。这些方法目前正在发展之中[6]。
随着计算机速度的提高和容量的不断扩充，用CFD技术直接求解黏性流场中水波与结构物的相互作用也日益受到重视，特别在甲板上浪、船首砰击、液舱晃荡等强非线性现象的模拟上已经取得了可喜的进展，但离工程要求的实用化和反应的快速化上仍然有很大的距离[7]。在深海域，密度分层海洋可以在外界因素的诱导下产生内波。工程界已经有内波造成海上直接经济损失的报道。内波水动力学问题无论是机理上还是分析手段上，人们的认识还远不够充分，都有待于深入的研究[8]。
当今，非线性水波动力学理论研究及其在工程中的应用已经成为国内外学术界和工程界极为重视的前沿研究领域之一。可以预料，在未来的若干年中，以直接时域法和CFD技术研究深海结构物在风、浪、流和内波作用下的受力和运动特性，包括极端海况下海洋结构物运动响应预报、强非线性现象、大型海洋结构物水弹性分析，将会受到国际学术界和工程界的极大重视。

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2.3.3海上施工船舶的设计建造
离岸风机的海上设置和安装远比陆地困难。浮吊船的起吊功率和提升高度应具备提升风机主要部件（塔架、机舱、叶轮等）的能力，此外还必须保证在限定的海况下起吊和安装作业时有足够的稳性和抗风浪能力，运动性能符合作业要求。现有的浮吊船大多不是特意为海上风电场的风机安装而设计制造的，外海作业有一定的难度。
& ?" T+ v) Q% I. Y+ f' g对于大型海上风电场，为控制建设周期和成本，设计和建造专用安装船来完成建设任务应该说是合适的。对风电场的长期运行中的维护也能提供必要的手段。例如，某一自升式安裝船：集运输、起重、安裝功能于一体。4组吊舱推进器，最大航速10.5kn。6根液压桩腿可將船体提升20多米作为海上工作平台；甲板面可裝载100只集裝箱和风力发电设备；主吊额定负荷300t，副吊50t。
; C5 s2 g! M$ s2 t) q$ F! i2.3.4新型海上风机的研发的关键技术
除了传统的水平轴风机外，近期一种可能的选择是所谓的垂直轴风机。无论是哪种构型，我们追求的应该是高效率风电机的整体构型，有最佳叶片、翼型的流体动力学设计和回转过程中叶片方向的最佳控制。
! p: ?, G5 Z3 g9 f, C2.3.5超大型浮式海洋结构物作为海上风电场浮基的相关关键技术[9]
9 S* R6 i, m8 a  Y) h; a9 U3 m超大型浮式海洋结构以模块连接构成，总尺度以千米计（例如：3000×1500m）。它可以独立设置，也可以以岛屿为依托设置。用超大型浮式海洋结构可设置变电站与控制设施、技术管理中心、维修中心、航空港、船队基地、生活支撑设施等相关设施和基地；甚至可建设旅游设施。其中的关键技术问题有：模块与连接装置设计、超大型浮式海洋结构风浪中的受力与运动特性（多体的水动力耦合和干扰）、超大型浮式海洋结构的水弹性问题、系泊系统构型与受力特性、海上拼装工艺与拼装过程中的受力与运动特性、防波堤设置及其本身的流体动力问题等等。
& F; }4 R, c0 ~" I. A2.4海洋系泊系统和电缆、立管系统等挠性部件水动力学问题
% I! o, j1 _( S0 B系泊系统是海上浮式结构整体设计中不能忽视的重要环节。电缆、立管系统也是海洋石油开采和风电场建设中的重要系统之一。它们的共同特点是极度细长、富有挠性，属于小尺度管柱。流体动力载荷中必须计入流体的黏性影响，包括柱后涡泄出。对波浪场的影响可以忽略。通常认为系泊缆索不能传递弯矩和剪力，而立管则必须考虑弯矩和剪力。从一般意义上建模，两者的处理方式事实上是共通的。
系泊结构物在风、浪、流等环境条件的作用下可作顺应式的运动。准确预估结构的运动响应和系统的动力特性对海洋工程和海上风电设施系泊系统的合理设计和系统的正常运行有着重要的意义[10]。
/ Z, [. G& c% @3 `: L, v海洋环境条件（包括风、浪、流、密度分层海洋中的内波）严酷，深海系泊的需求使得系泊缆的长度、尺寸、重量以及缆索（包括海洋立管）内部的负荷急剧增加；以海流影响为例，流速剖面沿水深方向的变化、流导致的缆索和海洋立管的涡激振动都可以对系统产生不利的影响；作为一种复杂的工作系统，海洋浮式结构物与系泊系统、立管的耦合影响（包括环境条件的耦合影响、系统刚度、低频响应载荷与运动阻尼的影响等等）对设计和研究提出了巨大的挑战。寻求一种高效、安全、经济的深海平台和系泊系统成了海洋工程界和学术界一个重大课题。在相对浅的水域，大多采用以普通链/钢缆为锚泊线、呈悬链线状辐射分布的伸展系泊系统（Spread mooring system），主要靠悬链线的重量提供回复力。钢缆本身的自重也导致了锚泊线内部较高的张力水平，使得悬链线状的伸展系泊系统不能适应深海系泊。张紧式系泊系统（Taut Mooring System，TMS）是新一代的深海系泊系统之一。它以轻质的合成纤维（例如聚酯纤维）绳索作为系泊缆索，从被系浮体呈辐射状地以基本张紧的形式斜拉固定于海底锚碇装置上，依靠绳缆索的弹性特性提供浮体的回复力。合成纤维缆索比重与水相近，在水中可有效地降低缆索的内部应力水平。相比钢缆有非常低的轴向刚度和更好的柔性，强度、刚度和弹性也不同。合成纤维缆绳的变形与作用的张力呈现时间变化的特性。因而张紧式轻质合成缆绳与普通链/钢缆悬链线系泊系统有不同的动力特性。采用轻质的合成纤维缆索的深海张紧式系泊系统（TMS）国际上相应的研究正处于起步阶段，工作并不系统，国内尚未开展研究；对深海系泊系统动力特性机理上的认识也还是不充分的，还不足以对工程实践有普遍的指导作用。
深海系泊系统在实验验证上也存在需要克服的技术问题。模型实验无法模拟千米的水深，也就无法模拟几千米的张紧轻质缆绳。目前国内外都是采用混合模型实验的方法。主要有两种：被动式和主动式。前者运用截断的锚系模型实验和与其一致的完全耦合的数值模型结果比较，将符合良好的数值模型外推到深水情况。后者由计算机控制的主动式激励器（active actuator）提供模型实验时的深水锚系的动力。实验结果可直接与深水数值模拟结果进行比较。但目前这两种技术均需进一步发展。
& f; z) v+ R6 M1 d% L$ I3 R$ a系统性能好坏取决于海洋环境、浮体和缆索所受的环境作用力、缆索的组件成分和动力特性、布置形式、水深等多种复杂因素[11]。对海上风电设施，由于这些因素都有很大的变化，因而，必须建立和开发合适的数学模型和分析技术，从机理上深入地研究海洋系泊系统的动力特性，并能真实地预报出它们的系泊性能，从而进一步指导工程设计和施工。

$ B  c  }( h$ @, ^2 A- N* F9 D3 统筹规划，深化对海上风电场和海洋工程装备共性水动力学关键技术问题的研究
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海上风电场开发的总体目标应该是：探讨并提出具有前沿性和先进性的海上风电场平台构型；研究、建立和开发海上风电场建设中相关系统运动和受力特性的分析方法、数理模型和计算技术，完善海洋环境条件与海上风电设施相互作用的理论；全面考察海洋环境条件、固基与浮基结构物及系泊系统相关参数对海上风电设施输运、定位、施工、运行和动力稳定性的影响，探讨浮基海洋结构物系泊系统有效设计准则，为包括风电在内的海洋资源综合开发、深远海水域重大工程的规划设计和深远海海军基地建设提供技术指导。
具体来说，或许应该：（1）借鉴国际上近期研发的Spar平台、半潜式平台、深海FPSO系统等新型海洋平台，探讨并提出具有前沿性和先进性的新的适应海上风电场建设的平台构型。（2）对海上风电场建设与海洋工程装备研发中的水动力学关键技术问题开展深化研究，包括海洋环境条件演化；海洋环境条件（风、浪、流、内波）作用下结构物运动响应及受力分析；海上风电场的建设中的特殊水动力学技术问题（含海上输运、定位、施工、运行、动力稳定性等关键技术）。（3）开展新型海上风机的研发，对其流体动力特性和关键技术进行深化研究。（4）探讨并提出超大型浮式海洋结构物作为海上风电场浮基的实施方案，对相关关键技术进行梳理和研究。（5） 进一步探讨浮基海洋结构物系泊系统有效设计准则。提出和开发具有自主知识产权的浮基风电设施系泊系统运动和受力特性计算的数值方法及相应的计算软件。（6）研究和开发混合模型试验技术；使理论和实验的验证具有可行性，以验证数值模型精度和适用范围，深入研究和探讨浮基海洋结构物系泊系统的运动和受力特性。

3 u: T3 H# S9 J, }7 k. I4 结束语

" \  J: ?# v( v9 h- Y& V3 `能源问题是我国面临的迫切的战略问题。我们必须从国际竞争的紧迫性、民族生存的严峻性、国家战略的全局性、经济发展的持续性、技术层面的挑战性、学术层面的前沿性的高度来认识风电开发的重要性。风电场建设及海洋工程装备研发涉及的学科面和技术领域非常广泛。在相关工程装备共性水动力学关键技术研究中，论述所涉及的领域只是整个开发技术中的一小部分，然而是海上风能开发利用的前提，是不可忽视的关键技术之一，符合国家中长期科学和技术发展规划。